數(shù)控高速鋸床加工H型鋼拉伸試樣的程序段設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

宋小勇, 程亞南

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 檢測中心物理站, 馬鞍山 243000)

鋼鐵企業(yè)的發(fā)展必然伴隨著新鋼種、新產(chǎn)品的不斷開發(fā)。小批量、多品種、快節(jié)奏已是當(dāng)前市場的特點(diǎn)，在降本增效的大背景下，鋼產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)均控制在一定的范圍之內(nèi)，沒有過多的富余量，因此，對性能測試試樣加工精度、取樣位置的要求也比較高。原來的手動(dòng)操作機(jī)床取樣和人工測量，及附加一些數(shù)控機(jī)床的二次加工的加工形式，已越來越不適應(yīng)目前準(zhǔn)確、快節(jié)奏、短周期的工作要求，且之前采用鱷魚剪剪切厚規(guī)格H型鋼拉伸試樣時(shí)，會使試樣產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化，導(dǎo)致試樣抗拉強(qiáng)度偏高。數(shù)控高速鋸床可以實(shí)現(xiàn)取樣位置的自動(dòng)定位，且可以實(shí)現(xiàn)一步成形，減少工序。為使數(shù)控高速鋸床可以加工H型鋼拉伸試樣，筆者對D-450H型數(shù)控高速鋸床[1]進(jìn)行開發(fā)，通過對程序段進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行對比驗(yàn)證試驗(yàn)[2],驗(yàn)證此工藝加工出的H型鋼拉伸試樣是否滿足要求。

1 程序段設(shè)計(jì)

D-450H型數(shù)控高速鋸床程序段設(shè)計(jì)前期需要根據(jù)鋼的種類和規(guī)格選擇要使用的圓盤刀具，通過確定圓盤刀具的齒形及齒數(shù)進(jìn)行分類劃分，此外，可靠的夾持是保證試樣加工精度的關(guān)鍵。筆者選擇幾個(gè)程序段設(shè)計(jì)并注解。

1.1 程序段3確定取樣位置

當(dāng)程序執(zhí)行“工作臺定位”功能后，工作臺按照在觸摸屏上設(shè)定的定位距離向后側(cè)定位板方向產(chǎn)生位移；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的位置后，工作臺停止位移并觸發(fā)定位板伸出，此時(shí)就完成了“工作臺定位”；此時(shí)工作臺所對應(yīng)的位置即是工藝上要求的從毛坯取樣的位置。程序段3示意圖見圖1。

圖1 程序段3確定取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of program segment 3 determinesampling location

1.2 程序段6進(jìn)行第一次鋸切加工

鋸片沿X軸按照設(shè)定的速度和鋸切長度進(jìn)行鋸切加工，同時(shí)啟動(dòng)“霧化潤滑泵”和利用M503.7觸發(fā)變頻器比較實(shí)際電流和正常的工作電流；當(dāng)鋸片鋸切到達(dá)鋸切長度后，會停止運(yùn)動(dòng)，變頻器停止對電流的比較。程序段6示意圖見圖2。

圖2 程序段6進(jìn)行第一次鋸切加工示意圖Fig.2 Schematic diagram of program segment 6 performsthe first sawing

1.3 程序段7避讓試樣

當(dāng)?shù)谝淮武徢屑庸そY(jié)束后，M600.5觸點(diǎn)會閉合，此時(shí)工作臺會向外側(cè)移動(dòng)一個(gè)“避讓安全距離”，從而避免“工件已加工表面”與鋸片產(chǎn)生二次接觸，保證工件已加工表面粗糙度滿足要求；當(dāng)工作臺完成避讓安全距離后，程序會關(guān)?！办F化潤滑泵”(可減少切削油的無謂損耗)及停止“鋸片的轉(zhuǎn)動(dòng)”(可減少鋸片與鋸切后的料頭產(chǎn)生劇烈碰撞)。程序段7示意圖見圖3。

圖3 程序段7避讓試樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of program segment 7 avoid sample

1.4 程序段10終止鋸切

當(dāng)鋸片鋸切阻力變大時(shí)，會促使變頻器的電流變大，當(dāng)大于設(shè)定的參考值時(shí)，會使“變頻器過電流-中間變量”觸點(diǎn)置位；當(dāng)“變頻器過電流-中間變量” 觸點(diǎn)置位后，會使X軸終止鋸切進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并觸發(fā)鋸片沿X軸向原點(diǎn)O位置運(yùn)動(dòng)(即鋸片終止鋸切并退回到工件外側(cè))，起到保護(hù)作用；當(dāng)鋸片到達(dá)X軸原點(diǎn)后，會終止當(dāng)前的所有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，消除所有的報(bào)警。程序段10示意圖見圖4。

圖4 程序段10終止鋸切示意圖Fig.4 Schematic diagram of program segment 10terminate sawing

1.5 程序段11進(jìn)行第二次鋸切加工

當(dāng)鋸片到達(dá)第二鋸的“鋸切起點(diǎn)”后置位M601.1觸點(diǎn)，鋸片沿X軸按照設(shè)定的速度和鋸切長度進(jìn)行第二鋸的鋸切加工，同時(shí)啟動(dòng)“霧化潤滑泵”和利用M503.7觸發(fā)變頻器比較工作電流；當(dāng)鋸片鋸切到達(dá)鋸切長度后，會終止當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉冷卻泵并取消變頻器對電流的比較。程序段11示意圖見圖5。

圖5 程序段11進(jìn)行第二次鋸切加工示意圖Fig.5 Schematic diagram of program segment 11 performsthe second sawing

2 試樣機(jī)加工與拉伸試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性

制樣是通過剪、鋸、車、銑、刨和磨等機(jī)加工方式將材料加工成符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，但又不能因機(jī)加工而破壞材料的真實(shí)性能,其總原則是不要因機(jī)加工使試樣受熱或冷加工硬化而影響材料的性能,而且加工的精度一定要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求[3-4]。機(jī)加工精度會直接影響力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果,以H型鋼翼緣拉伸試驗(yàn)為例，主要有如下幾個(gè)方面。

(1) 試樣剪切過程中，當(dāng)樣坯厚度過厚時(shí)，剪切會使試樣發(fā)生冷加工硬化，使得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大，據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，厚度大于20 mm的樣坯進(jìn)行剪切時(shí)均會使試樣發(fā)生微量冷加工硬化。

(2) 機(jī)加工試樣表面粗糙度與拉伸試驗(yàn)結(jié)果有相關(guān)性,特別是對于塑性較差的材料，一般隨表面粗糙度的增加, 材料的斷后伸長率會下降，強(qiáng)度和塑性都有所降低。

(3) 拉伸試樣的形狀公差如果偏差過大，會使試樣頭部容易斷，影響斷后伸長率的測量結(jié)果。

3 對比驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用牌號為Q235的H型鋼,尺寸有800 mm×300 mm×14 mm×27 mm和400 mm×200 mm×8 mm×13 mm兩種，其翼緣厚度分別為27，13 mm。矩形拉伸試樣及帶肩拉伸試樣分別取自同一軋制批號的H型鋼樣坯的翼緣1/6處，矩形拉伸試樣使用兩種加工方式進(jìn)行加工，方法一為使用D-450H型數(shù)控高速鋸床鋸切，方法二為使用鱷魚剪剪切→端面銑床銑削，均加工成GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，其中矩形拉伸試樣16組，帶肩拉伸試樣8組，然后采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

拉伸試驗(yàn)前對試樣尺寸進(jìn)行測量，每根試樣測量次數(shù)不少于3次，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1～3所示。

表1 翼緣厚度為27 mm的矩形拉伸試樣尺寸及試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Dimensions and test results of rectangular tensile samples with flange thickness of 27 mm

由表1～3可以得到以下結(jié)論。

(1) 加工方式對試樣寬度尺寸公差、形狀公差[5]的影響。對于厚板來說，方法一加工出試樣的最大寬度尺寸公差為+0.18 mm，最小為+0.13 mm，平均值為+0.165 mm，最大形狀公差為+0.14 mm，最小為+0.07 mm，平均值為+0.098 mm；方法二加工出試樣的最大寬度尺寸公差為+0.15 mm，最小為+0.05 mm，平均值為+0.095 mm，最大形狀公差為+0.11 mm，最小為+0.07 mm，平均值為+0.09 mm。對于薄板來說，兩種加工方式加工試樣的寬度尺寸公差及形狀公差相差更小。總的來說，從尺寸公差、形狀公差兩個(gè)方面考慮，方法二的加工方式在寬度尺寸精度方面較方法一稍精確。但是標(biāo)準(zhǔn)中也給出規(guī)定，如果試樣寬度公差不滿足規(guī)定時(shí)，原始橫截面積可以使用每個(gè)試樣的實(shí)際測量尺寸計(jì)算得到，實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)中原始橫截面積就是使用實(shí)際測量尺寸進(jìn)行計(jì)算得到的，所以方法一進(jìn)行試樣加工完全是可行的。

表2 翼緣厚度為13 mm的矩形拉伸試樣尺寸及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Dimensions and test results of rectangular tensile samples with flange thickness of 13 mm

(2) 加工方式對表面粗糙度[6]的影響。對于27 mm同等厚度試樣來說，方法一加工的試樣表面粗糙度Ra最小為0.52 mm，最大為0.71 mm；方法二加工的試樣表面粗糙度最小為1.97 mm，最大為2.61 mm。所以，相對而言方法一加工試樣的表面粗糙度更低。

(3) 加工方式對屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的影響。對于翼緣厚度為27 mm的H型鋼來說，方法二加工所得試樣的屈服強(qiáng)度平均值較方法一加工所得試樣的高11 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值高17 MPa；方法一加工試樣的屈服強(qiáng)度平均值、抗拉強(qiáng)度平均值與表3中帶肩試樣的屈服強(qiáng)度平均值、抗拉強(qiáng)度平均值基本一致，相差2 MPa左右。對于翼緣厚度為13 mm的H型鋼來說，兩種加工方法加工出的試樣其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相差不大，且屈服強(qiáng)度平均值、抗拉強(qiáng)度平均值與表3中帶肩試樣的屈服強(qiáng)度平均值、抗拉強(qiáng)度平均值基本一致。

表3 帶肩拉伸試樣的試驗(yàn)結(jié)果平均值Tab.3 Average values of test results of shoulder tensile samples

(4) 加工方式對斷后伸長率的影響。對于翼緣厚度為27 mm的H型鋼來說，方法二加工所得試樣的斷后伸長率平均值較方法一加工所得試樣的低。翼緣厚度為13 mm的H型鋼，兩種加工方法加工出的試樣斷后伸長率平均值基本一致。

4 結(jié)論

采用經(jīng)過程序段設(shè)計(jì)的數(shù)控高速鋸床加工出的H型鋼拉伸試樣在拉伸試驗(yàn)時(shí)基本不會發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化，尺寸及形狀公差均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長率與鱷魚剪剪切試樣的基本一致，但其表面粗糙度更小，平均值僅為0.61 mm，且精度較高。因此，數(shù)控高速鋸床鋸切加工試樣的加工方式更適合于大批量檢驗(yàn)，可以提高檢驗(yàn)效率；此外數(shù)控高速鋸床鋸切加工工藝更適用于厚規(guī)格拉伸試樣的加工，能夠確保檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。